鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)中最常用的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備之一，有多種分類方式。其中，按照鍋爐使用的燃料可分為燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、電加熱鍋爐。無論哪種形式的鍋爐，原理都是通過轉(zhuǎn)化燃料中的化學(xué)能或利用電能轉(zhuǎn)化為熱能，把水加熱至沸騰產(chǎn)生蒸汽，既可使用熱水和蒸汽做熱交換供暖，又可以利用蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做工發(fā)電。鍋爐已經(jīng)成為人們廣為依賴的采暖工具和動(dòng)力來源。到能量轉(zhuǎn)換，自然離不開鍋爐的溫度測(cè)量，溫度是鍋爐最重要的幾個(gè)參數(shù)之一。本文通過介紹循環(huán)流化床鍋爐的各個(gè)組成部件，探討鍋爐測(cè)溫?zé)犭娕己蜔犭娮柙O(shè)計(jì)選型和影響其可靠性的因素。

工業(yè)時(shí)代以來，隨著大型機(jī)械的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電力的要求越來越高。目前，我國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)大致分為火電、水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電以及核電。各個(gè)能源的裝機(jī)量大致如下：火電裝機(jī)量占比56.6%，水電的裝機(jī)量占比16.8%，風(fēng)電裝機(jī)量12.8%，太陽(yáng)能裝機(jī)量11.5%，核電裝機(jī)量2.3%。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年1～12月全國(guó)發(fā)電量為81121.8億千瓦時(shí)，累計(jì)增長(zhǎng)8.1%。其中，火力發(fā)電量為57702.7億千瓦時(shí)，占全國(guó)發(fā)電量比重約為71.13%，火電的占比無論是裝機(jī)量還是發(fā)電量均領(lǐng)先。這說明目前以及未來一段時(shí)間的電力能源來源主要火電，特別是煤炭發(fā)電。

鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)中最常用的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備之一，是火力發(fā)電廠的重要組成部分，在人類的生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著重大作用。從不同的角度鍋爐分成多種形式：

①按照鍋爐容量分為：蒸發(fā)量<20t/h的稱為小型鍋爐，蒸發(fā)量>75t/h的稱為大型鍋爐，蒸發(fā)量介于兩者之間的稱為中型鍋爐。

②按照鍋爐使用的燃料分為：燃煤鍋爐(這種鍋爐出現(xiàn)相對(duì)來說較早，主要以燃煤作為燃料，比如：鏈條爐和循環(huán)流化床鍋爐)，燃?xì)忮仩t(在國(guó)家提倡環(huán)境保護(hù)的情況下，燃?xì)忮仩t以環(huán)保為主)，燃油鍋爐(主要以輕油、重油等油類為主作為燃料)，生物質(zhì)鍋爐(主要以農(nóng)作物廢棄物為燃料，例如花生殼、玉米芯、玉米桿等)，電加熱鍋爐(主要以電能為燃料)。

③按照鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力分為：低壓鍋爐(出口的蒸汽壓力≤2.5MPa的鍋爐)，中壓鍋爐(出口蒸汽壓力在2.94～4.90MPa之間的鍋爐)，次高壓鍋爐(出口蒸汽壓力在中壓鍋爐與高壓鍋爐之間的鍋爐)，高壓鍋爐(出口蒸汽壓力高于5.88MPa，低于9.81MPa的鍋爐)；除此之外還有超高壓鍋爐、壓臨界壓力鍋爐以及超壓臨界鍋爐。

本文主要探討循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)和工藝流程。

1、循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)和原理
1.1 循環(huán)流化床鍋爐的構(gòu)成循環(huán)流化床鍋爐由鍋爐本體及輔助設(shè)備組成：鍋爐本體如圖1所示，主要包括風(fēng)室、爐膛、旋風(fēng)分離器、回料閥、以及鍋筒、省煤器、空氣預(yù)熱器等。



圖1 循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
流化床鍋爐最為主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是物料循環(huán)系統(tǒng)，由布風(fēng)裝置、燃燒室、氣固分離器、回料裝置、點(diǎn)火裝置等設(shè)備組成。燃燒室、分離器及回料裝置被稱為循環(huán)流化床鍋爐的三大核心部件，構(gòu)成了循環(huán)流化床鍋爐的顆粒循環(huán)回路，是其結(jié)構(gòu)上區(qū)別于其它鍋爐的明顯特征，是循環(huán)流化床鍋爐的特有系統(tǒng)。

1.3 循環(huán)流化床鍋爐的工作原理燃料經(jīng)破碎機(jī)破碎至合適的粒度后，經(jīng)給煤機(jī)從燃燒室布風(fēng)板上部給入，與燃燒室熾熱的沸騰物料混合，被迅速加熱。燃料迅速著火燃燒，在較高氣流速度的作用下，充滿爐膛，并有大量的固體顆粒被攜帶出燃燒室，經(jīng)氣固分離器分離，分離下來的物料通過物料回送裝置重新返回爐膛繼續(xù)參與燃燒。分離器導(dǎo)出的高溫?zé)煔?，在尾部煙道與對(duì)流受熱面換熱后，通過除塵器由煙囪排出。

以上所述的煤、風(fēng)、煙系統(tǒng)稱為鍋爐的燃燒系統(tǒng)，即一般說的“爐”。

另一方面，鍋爐給水經(jīng)水泵送入省煤器預(yù)熱，再進(jìn)入汽包，然后進(jìn)入下降管、水冷壁，被加熱并蒸發(fā)后又回到汽包。汽水分離后蒸汽進(jìn)入過熱器升溫通過主蒸汽管道送到用戶處。

上述為汽水系統(tǒng)，即一般說的“鍋”。

總的來說，“爐”的任務(wù)是盡可能組織高效的放熱，“鍋”的任務(wù)是盡量把爐的熱量有效地吸收；“鍋”和“爐”組成了一個(gè)完整的能量轉(zhuǎn)換和蒸汽產(chǎn)生過程。

2、循環(huán)流化床溫度測(cè)點(diǎn)布置及選型
2.1 循環(huán)流化床鍋爐溫度測(cè)點(diǎn)布置鍋爐通過加熱實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，因此鍋爐溫度的穩(wěn)定是鍋爐性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。溫度過高和溫度過低都會(huì)給鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行和生產(chǎn)造成重大影響，甚至發(fā)生安全事故。溫度過高，導(dǎo)致鍋爐金屬材料和相關(guān)部件的超溫過熱，加速管材金屬氧化，降低鍋爐和相關(guān)部件的使用壽命：溫度過低，假定在保持鍋爐蒸發(fā)量不變的情況下，鍋爐的損耗將大幅上升，能源利用率因下降，負(fù)荷也將受到限制。所以，限定鍋爐在安全溫度成為每一個(gè)溫度控制系統(tǒng)的核心部分。

以連云港某化工廠投產(chǎn)額定蒸發(fā)量130t/h、最大蒸發(fā)量150t/h鍋爐為例，通過與熱工專業(yè)工程師探討，選取代表性的循環(huán)流化床鍋爐測(cè)溫點(diǎn)大致如下：

2.1.1 風(fēng)系統(tǒng)
爐膛區(qū)域測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。
T5：風(fēng)室入口空氣溫度測(cè)點(diǎn)，數(shù)量2，溫度158℃。
T6：風(fēng)室空氣（煙氣）溫度測(cè)點(diǎn)，數(shù)量4，運(yùn)行時(shí)溫度158℃，點(diǎn)火時(shí)溫度900℃。
T7：二次風(fēng)管入口空氣溫度測(cè)點(diǎn)，數(shù)量2，溫度165℃。



圖2 爐膛風(fēng)系統(tǒng)溫度測(cè)點(diǎn)圖

一次風(fēng)主要是供風(fēng)室，通過布風(fēng)板風(fēng)帽進(jìn)入爐膛，流化床料；同時(shí)供啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)火風(fēng)，播煤風(fēng)。播煤風(fēng)又分為3路到3臺(tái)給煤裝置。

2.1.2 煙氣系統(tǒng)
爐膛溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。



圖3 爐膛煙氣系統(tǒng)溫度測(cè)點(diǎn)圖

T10：床溫測(cè)點(diǎn)（沿爐膛四周布置），數(shù)量8，溫度892℃。
T11：爐膛溫度測(cè)點(diǎn)（燃燒-布風(fēng)板上密相區(qū)），數(shù)量4，溫度885℃。
T12：爐膛溫度測(cè)點(diǎn)（爐膛出口），數(shù)量2，溫度888℃。
T24：爐膛溫度測(cè)量（爐膛下部），數(shù)量4，溫度895℃。

省煤器煙道測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。



圖4 省煤器煙道側(cè)點(diǎn)布置

T16：上級(jí)省煤器入口煙氣溫度測(cè)量，數(shù)量2，溫度576℃。
T17：上級(jí)省煤器出口煙氣溫度測(cè)量，數(shù)量2，溫度374℃。
T18：下級(jí)省煤器入口煙氣溫度測(cè)量，數(shù)量2，溫度374℃。
T19：下級(jí)省煤器出口煙氣溫度測(cè)量，數(shù)量2，溫度232℃。

2.1.3 汽水系統(tǒng)
鍋筒溫度測(cè)點(diǎn)布置為：
T23：鍋筒壁溫測(cè)點(diǎn)，數(shù)量8，溫度319℃。
為防止鍋筒承受過大的熱應(yīng)力，應(yīng)控制鍋筒上、下壁溫差不得超過50℃。

2.2 測(cè)溫?zé)犭娕己蜔犭娮璧倪x型
測(cè)溫熱電偶和熱電阻的選型以HG/T20507-2014《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，根據(jù)規(guī)范可知，集中檢測(cè)用溫度儀表主要包括熱電阻和熱電偶，溫度測(cè)量范圍為如下表所示。



測(cè)點(diǎn)溫度<450℃的選用熱電阻，450℃≤測(cè)點(diǎn)溫度≤1000℃一般選用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的K型鎧裝熱電偶。爐膛內(nèi)有高溫高速的爐灰爐渣，所以溫度儀表應(yīng)配備保護(hù)套管。根據(jù)規(guī)定，在設(shè)備、襯里管道、非金屬管道安裝的套管需要采用法蘭連接方式。套管一般使用310S材料制作，以保障熱電偶的使用壽命。鍋爐爐筒的表層溫度測(cè)量常用一片式溫度傳感器裝置，一片式探頭的直徑D=8mm，貼片高度是H=12mm，其他的遠(yuǎn)傳溫度傳感器的選型，一般是鎧裝用螺紋的形式在外面固定。

熱電偶插入深度應(yīng)根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)，插入的深度不同，會(huì)對(duì)測(cè)量的精確度、使用的壽命造成影響。由于鍋爐本身的不同結(jié)構(gòu)部位，比如，內(nèi)壁和保護(hù)層的寬厚度不一樣，溫度裝置儀表進(jìn)入的深度必須依照鍋爐保護(hù)層的寬厚度和工作時(shí)的實(shí)際情況確定。例如爐膛：鍋爐的內(nèi)壁厚度一般是60mm，保溫材質(zhì)厚度是80mm，保護(hù)鍋爐的內(nèi)壁版厚度是80mm，則保護(hù)套管需要延伸外部240mm。為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量溫度，并且使溫度裝置儀表的使用壽命增加，伸入鍋?zhàn)o(hù)內(nèi)壁100mm是最合適的，因此最后熱電偶需要深入爐墻表面560mm。與其他爐型的溫度測(cè)點(diǎn)相比，循環(huán)流化床鍋爐的密相區(qū)顆粒濃度很大且磨損特別嚴(yán)重，要求床溫測(cè)點(diǎn)熱電偶應(yīng)裝在具有耐高溫和耐磨損的套管內(nèi)，耐磨的套管伸出耐火材料壁大約50mm。

根據(jù)以上結(jié)論，T5、T7、T17、T18、T19選用帶套管的熱電阻測(cè)量；T6、T10、T11、T12、T24應(yīng)選用帶套管的熱電偶測(cè)量，T16工作溫度由于接近熱電阻上限值，考慮最高溫度因素，宜選用熱電偶測(cè)量。T23鍋筒溫度選用一片式溫度傳感器測(cè)量。

3、循環(huán)流化床鍋爐溫度儀表可靠性分析
影響循環(huán)流化床鍋爐溫度儀表的可靠性因素來自兩方面：一是溫度檢測(cè)儀表的本身因素，二是溫度檢測(cè)儀表的安裝。

3.1 測(cè)溫儀表因素
3.1.1 熱電偶和熱電阻的選擇
鍋爐測(cè)溫中有很多工況溫度在熱電阻和熱電偶的交界范圍內(nèi)，這種情況需要對(duì)熱電阻和熱電偶比較進(jìn)行選型。根據(jù)研究，熱電偶適用于高溫測(cè)量，但其溫漂較大。熱電阻由高純度的鉑金制成，精度高，穩(wěn)定性好，溫漂小。在正常使用范圍內(nèi)，熱電阻的精度是熱電偶的2倍，且壽命長(zhǎng)于熱電偶。熱電阻有良好的響應(yīng)速度，但不適于高溫測(cè)量。其傳感元件與引線的焊接是脆弱環(huán)節(jié)，需要用高精度的焊接設(shè)備做成冗余式的焊接點(diǎn)。對(duì)于精度要求不高的高溫測(cè)量一般選用熱電偶，在抗震動(dòng)、可靠性方面，熱電阻有其優(yōu)越性。

3.1.2 熱電阻線制的選擇
過去，常用的熱電阻測(cè)量是三線制的。這種制式由于端子腐蝕、接線不緊，可能導(dǎo)致電路上的不平衡，從而引起誤差。而四線制熱電阻則可有效地消除因?qū)Ь€電阻變化而引起的誤差，它使用一個(gè)阻抗極高的電壓表，電壓測(cè)量回路中的電流幾乎為零，引線電阻對(duì)感應(yīng)元件的影響降到最低程度，可以精確地測(cè)得熱電阻上的電壓，使電壓值與熱電阻上被測(cè)溫度成線性。可見，四線制熱電阻的隔離性及穩(wěn)定性要優(yōu)于三線制熱電阻。

3.1.3 溫度計(jì)保護(hù)管的應(yīng)用
在一般流速和振動(dòng)不太大尤其空間比較狹窄的場(chǎng)合，將鎧裝熱電阻或熱電偶直接插入管道或設(shè)備，傳感器與過程流體充分接觸，響應(yīng)速度快。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的工藝過程，為了在拆裝更換溫度計(jì)時(shí)不停產(chǎn)，則需在鎧裝測(cè)溫體外再配以保護(hù)管。大部分熱電阻、熱電偶的頂端離保護(hù)套管的底端有將近10mm的距離，溫度響應(yīng)的時(shí)間延長(zhǎng)?，F(xiàn)在，熱套式熱電阻/熱套式熱電偶的傳感器的頂部緊貼保護(hù)套管的底部，大大降低了響應(yīng)時(shí)間。在套管中充導(dǎo)熱油也能達(dá)到響應(yīng)效果。選擇保護(hù)管時(shí)，除了適用溫度，還要考慮耐壓、防腐蝕、抗磨損及避免共振等諸因素，應(yīng)進(jìn)行必要的計(jì)算，確?？煽抗ぷ?。

 

3.2 測(cè)溫儀表的安裝因素
通常，所用溫度計(jì)是帶有套管的熱電阻或者熱電偶，鍋爐施工過程經(jīng)常出現(xiàn)施工人員攀爬爐墻或者從鍋爐上方高空墜物的情況，在安裝時(shí)注意將其設(shè)置于便于檢修且不會(huì)受到外部環(huán)境影響或是相應(yīng)機(jī)械損傷的位置，對(duì)焊接在管道或是鋼制管接頭進(jìn)行螺紋連接。并且在安裝相應(yīng)的測(cè)溫設(shè)備時(shí)，要注意測(cè)溫的熱電偶或熱電阻安裝在爐內(nèi)介質(zhì)溫度變化靈敏且具有典型性的位置，防止安裝在相應(yīng)的管道或設(shè)備死角處。同時(shí)測(cè)溫儀表插座的材質(zhì)應(yīng)與主管道保特一致，熱電偶自由端溫度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響大，必須經(jīng)常校正或保特自由端溫度的恒定。

4、結(jié)束語(yǔ)
溫度檢測(cè)是維持循環(huán)流化床鍋爐安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要指標(biāo)。根據(jù)不同位置的實(shí)際情況，選擇不同類型的熱電偶或熱電阻并結(jié)合DCS系統(tǒng)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，比如爐床溫度，控制好床溫是流化床保障安全運(yùn)行和促進(jìn)流化床高效運(yùn)行的關(guān)鍵前提。鍋爐運(yùn)行實(shí)際會(huì)產(chǎn)生多種影響因素，導(dǎo)致溫度控制效果不理想，必須在試運(yùn)行中，配合鍋爐的壓力及鍋筒液位等其他參數(shù)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，才能使循環(huán)流化床鍋爐達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)合理的運(yùn)行狀態(tài)。

作者：(吉林省石油化工設(shè)計(jì)研究院)涂沖